biotechnologia


 
 

Regulacja ekspresji genów u mikroorganizmów na poziomie transkrypcji

Podstawą ekspresji genów jest odczytanie informacji biologicznej zawartej w DNA. W komórkach prokariotycznych ekspresja genów składa się z dwóch zasadniczych etapów: transkrypcji i translacji.


Transkrypcja to proces enzymatycznej syntezy mRNA na matrycy DNA. Jest to pierwszy etap syntezy genów, którego końcowym efektem jest zsyntetyzowane białko. Synteza mRNA zachodzi zawsze kierunku 5 do 3 z nici matrycowej DNA, tzw. nici antysensownej. Proces transkrypcji katalizowany jest przez polimerazę RNA, która prócz obecności matrycy dsDNA wymaga również obecności wszystkich rybonukleotydów: ATP, GTP, CTP oraz UTP. W procesie inicjacji transkrypcji polimeraza wiąże się z dsDNA w miejscu promotorowym tworząc kompleks transkrypcyjny. Proces kolejnego przyłączania rybonukleotydów wymaga przesuwania się polimerazy w kierunku od 5 do 3 wydłużając tym samym łańcuch mRNA. Aby polimeraza mogła działać DNA ulega rozpleceniu. Po zakończeniu etapu elongacji proces transkrypcji ulega terminacji w miejscu o specyficznej sekwencji, określanym jako miejsce terminacyjne.


Transkrypcyjna jednostka bakteryjnego DNA, czyli tzw. operon to grupa genów położonych obok siebie, których ekspresja kontrolowana jest przez ten sam operator i które transkrybowane są jako jedna cząsteczka RNA. Schematyczną budowę przedstawiono na rysunku 1.



Rys. 2. Schemat budowy operonu bakteryjnego.

Gen regulatorowy (regulator, R) to gen kodujący białko regulatorowe, które łączy się z odpowiednią sekwencją na genie operatorze (O), przez co wpływa na regulację procesów transkrypcji i translacji hamująco lub aktywująco. Z promotorem (P) w trakcie tych procesów łączy się enzym – polimeraza RNA. Za sekwencją operatora znajdują się geny strukturalne (Z, Y oraz A), które zawierają informacje na temat kodowanych białek. Za nimi znajduje się terminator (T) - odcinek genu, na którym kończy się transkrypcja operonu.


Operon laktozowy – budowa i regulacja





Rys. 1. Schemat budowy operonu laktozowego.

Geny strukturalne kodujące białka to: gen lacZ koduje enzym β – galaktozydazę, która odpowiada za hydrolizę laktozy do glukozy i galaktozy; gen lacY koduje enzym - permeazę laktozową, która odpowiada za transport laktozy, natomiast gen lacA koduje enzym- transacetylazę β – galaktozydazową transportującą laktozę do wewnątrza komórki. Ułożenie jednego genu za drugim powoduje, że wszystkie trzy geny strukturalne są kontrolowane wspólnie oraz wspólnie ulegają ekspresji, w efekcie czego powstaje policistronowy mRNA, który w swej strukturze zawiera więcej niż jeden region kodujący białko.

Regulację operonu laktozowego dzielimy na negatywną i pozytywną. Regulacja negatywna to represja operonu laktozowego. Po przyłączeniu białka represorowego do operatora niemożliwe jest związanie polimerazy RNA przez promotor, co w efekcie hamuje transkrypcję. Dzieje się tak, gdy w środowisku reakcji brakuje induktora – laktozy. W przypadku, gdy obecna jest laktoza (allolaktoza), to dochodzi do jej łączenia z białkiem represorowym, przez co powstaje nieaktywny represor, nie dochodzi do jego łączenia z operatorem, polimeraza RNA łączy się z promotorem a proces transkrypcji genów przebiega bez problemu.

Pozytywna regulacja operonu laktozowego, tzw. represja kataboliczna polega na związaniu kompleksu CAP – cAMP (białko CAP jest nieaktywne póki nie zwiąże cAMP) do promotora powyżej miejsca wiązania polimerazy RNA. Proces przebiega w obecności laktozy, która usuwa represor z operonu wiążąc się z nim, przez co go inaktywuje. Gdy laktoza jest obecna w podłożu, a stężenie glukozy jest niskie, wzrasta stężenie AMP. Powstały kompleks białko CAP – cAMP związany z DNA stymuluje przyłączenie polimerazy RNA i dochodzi do transkrypcji genów strukturalnych. W tym przypadku kompleks białko CAP – cAMP działa jako transkrypcyjny aktywator. W przypadku, gdy w podłożu jest zarówno laktoza jak i glukoza to poziom cAMP jest niski. Nie powstają kompleksy CAP – cAMP, polimeraza RNA nie wiąże się do promotora, co w konsekwencji prowadzi do braku transkrypcji. W procesie tym obecna laktoza wiąże się z białkiem represorowym hamując jego zdolność do wiązania się z operatorem.


Operon tryptofanowy – budowa i regulacja


Operon tryptofanowy budową przypomina operon laktozowy - zawiera pięć genów strukturalnych, operator i promotor. Schematyczną budowę przedstawiono na rysunku 3.



Rys. 2. Schemat budowy operonu tryptofanowego.

Geny strukturalne operonu tryptofanowego to: trpE, trpD, trpC, trpB oraz trpA. Operon tryptofanowy jest pojedynczą podjednostką transkrypcyją i wytwarza transkrypt o wielkości 7 kpz. Produkt ten jest bardzo niestabilny, co w znacznym stopniu pozwala bakteriom na szybką reakcję w odpowiedzi na zmienny poziom zapotrzebowania na tryptofan. Podlega on mechanizmom skoordynowanej kontroli ekspresji genów w przypadku gdy w komórce poziom tryptofanu jest zbyt niski.

Kontrola negatywna operonu tryptofanowego opiera się o komórkowy poziom tryptofanu. To on decyduje o aktywności represora, który jest białkiem allosterycznym. Przyłączenie tryptofanu (korepresora) do białka represorowego powoduje nieznaczne zmiany w trójwymiarowej strukturze utworzonego aktywnego represora. W takiej postaci łączy się on z DNA w miejscu operatora, co w efekcie prowadzi do represji operonu i braku transkrypcji DNA. Gdy poziom tryptofanu jest niski lub tryptofanu nie ma w komórce to polimeraza łączy się z DNA i dochodzi do transkrypcji genów strukturalnych, a w efekcie do syntezy enzymów uczestniczących w procesie biosyntezy tryptofanu.

W przypadku operonu tryptofanowego mamy do czynienia ze zjawiskiem atenuacji. Podstawą tego zjawiska jest fakt, iż terminatory procesu transkrypcji informacji genetycznej zawartej w operonie znajdują się nie tylko na końcach operonów, ale także w obrębie całego operonu: najczęściej przed pierwszym genem strukturalnym, między genami wewnątrz operonu lub w obrębie genów. Taki terminator określa się mianem atenuatora transkrypcji. Atenuator w operonie tryptofanowym znajduje się w sekwencji przed kodonem inicjującym trpE, jest miejscem terminacyjnym Rho – niezależnym, zawiera rejon bogaty w pary GC, po którym następuje osiem kolejnych cząsteczek uracylu. Sekwencja atenuatora tworzy strukturę pnia z pętlą skutecznie zatrzymując proces transkrypcji. Proces atenuacji prowadzi w efekcie do inhibicji ekspresji genów położonych za atenuatorem. Atenuacja operonu zwiększa 10 – krotnie regulację procesu transkrypcji w obecności tryptofanu.

Terminację transkrypcji można zatrzymać wykorzystując w tym celu białka antyterminacyjne, które dzieli ze względu na sposób działania na dwie grupy: modyfikujące drugorzędową strukturę RNA (w procesie transkrypcji nie dochodzi do powstania struktury pętla – pień, która jest sygnałem do zakończenia procesu) oraz modyfikujące polimerazę RNA (zahamowaniu ulega proces oddysocjowania polimerazy RNA od matrycy). Atenuacja transkrypcji poprzez modyfikacje polimerazy RNA dotyczy tylko genów kodujących stabilne rodzaje cząsteczek RNA (rRNA i tRNA).

Terminacja transkrypcji jest podejmowana przez różne rodzaje terminatorów: właściwych oraz Rho – zależnych. W terminatorach właściwych występują sekwencje komplementarne, które umożliwiają cząsteczce utworzenie struktury pnia z pętlą. Są to sekwencje palindromowi bogate w pary GC, które stabilizują strukturę drugorzędową. Struktura ta destabilizuje otwartą helisę DNA, zamyka ją i zatrzymuje w ten sposób transkrypcję. Terminator Rho – zależny zawiera na końcu 5 sekwencje rut o długości 85 pz. Do tej sekwencji przyłącza się białko Rho, przesuwa się w miejsce terminacji i powoduje zapętlenie cząsteczki mRNA, a w efekcie jej oddysocjowanie.

Regulacja transkrypcji zachodzi również poprzez czynniki σ. Czynnik ten odpowiada za rozpoznawanie sekwencji promotorowych -35 i -10 oraz za związanie się z polimerazą RNA i inicjację transkrypcji. Wiele bakterii syntetyzuje różne grupy czynników σ rozpoznające różne promotory. Związanie alternatywnego czynnika σ z polimerazą RNA wpływa na specyficzność promotorową enzymu. Każdy z czynników alternatywnych rozpoznaje inne kombinacje sekwencji usytuowanych w regionach -35 i -10, przy czym ze względu na regulację procesu transkrypcji region -10 jest ważniejszy. U E. coli za rozpoznawanie tych sekwencji jest odpowiedzialny czynnik σ70.


Autor: Ewelina Długosz


Literatura:
1. P.C. Turner, A.G. McLennan, A.D. Bates, M.R.H. White, Biologia molekularna. Krótkie wykłady, PWN, Warszawa 2007
2. P.C. Winter, H.L. Hickey, H.L. Fletcher, Genetyka. Krótkie wykłady, PWN, Warszawa 2006
3. J. Baj, Z. Markiewicz, Biologia molekularna bakterii, PWN, Warszawa 2006


Komentarze

Widok Uszereguj
Tylko zarejestrowani mogą dodawać komentarze. Zarejestruj się/Zaloguj

Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

201 gości oraz 0 użytkowników online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. VitaInSilica Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u